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Diseño de una fuente de alimentación (versión 1)

Descripción y finalidad

La finalidad de este proyecto es crear una fuente de alimentación regulada, que nos resulte de utilidad para la mayor parte de nuestros proyectos electrónicos. La fuente que vamos a construir tiene las siguientes características:

Diseño

La base del diseño de esta fuente es un cargador de portátil en desuso, que aprovechamos para obtener una tensión regulada de gran amperaje y de modo muy compacto. Estos cargadores son en realidad fuentes de tensión conmutadas, que trabajan a muy alta frecuencia, por lo que los elementos de transformación pueden reducir su tamaño. En mi caso, obtuve una fuente de 15 V y 5 A (75 W).

El diseño de esta fuente de alimentación es altamente personalizable, y dependerá en gran medida de los recursos y necesidades de cada uno.

Tensión ajustable

Existen varios circuitos integrados reguladores de tensión ajustables. El más extendido quizás sea el LM317. Para esta aplicación usaremos un LT1084, cuyo funcionamiento es similar.

Como vemos, la tensión de salida dependerá de la relación entre R1 y R2. Yo he elegido R1 = 2.2 kOhm, mientras que R2 la he sustituido por 2 potenciómetros conectados en serie, uno de 22 KOhm y otro de 2.2 KOhm. De este modo es posible realizar un ajuste fino de la tensión de salida con el segundo potenciómetro. Hay que recordar que Vref = 1.25 V. Según la ecuación que aparece en la imagen los valores de tensión podrían variar entre 1.25 V y 16.21 V. Una de las razones de la utilización del LT1084 en lugar del LM317 es su baja caída de tensión, de sólo 1.5 V a plena carga, respecto a los 3 V del LM317. Por tanto, la tensión variará entre 1.25 V y aproximadamente 13.5 - 14 V.

Tensión fija

Se han utilizado los reguladores de la serie LM78XX para conseguir tensiones fijas de 5 V y 12 V. La tensión de 12 V se dedicará únicamente a los elementos auxiliares, como el ventilador y el voltímetro, mientras que la tensión de 5 V nos será de gran utilidad para circuitos y montajes de electrónica digital. El uso de estos integrados reguladores es muy sencillo, únicamente precisan de un par de condensadores para reducir/eliminar el rizado de la señal, tal como se puede apreciar en la imagen.

Tensión simétrica

Una tensión de alimentación simétrica resulta imprescindible para trabajar con amplificadores operacionales, típicos de aplicaciones de audio y sensores. Para obtener una tensión de -15 V / +15 V usamos un pequeño transformador de 2x15V y poca potencia, que conectamos adecuadamente para obtener una tensión simétrica. Esta tensión será posteriormente rectificada y estabilizada mediante el circuito siguiente.

Podemos ver que nuevamente usamos los reguladores LM7815 y LM7915. La familia LM79XX es similar a la LM78XX pero está diseñada para operar con tensiones negativas. En revisiones posteriores de este circuito se aprecia la existencia de un pequeño rizado para cargas cercanas a 500 mA, por lo que es recomendable usar un transformador de mayor tensión, por ejemplo 2x18V para evitar estos problemas.

Medición de la tensión ajustable

Para conocer en todo momento el valor de la tensión ajustable sin precisar de más elementos externos, hemos añadido un voltímetro conectado permanentemente. La solución "low-cost" usada es la de aprovechar un polímetro digital de "todo a 100". En un principio la idea era usar la tensión fija de 12 V para alimentar el voltímetro, eliminando la necesidad de una pila. Sin embargo, al realizar el montaje, aparecieron 2 problemas: Por un lado, parece ser que el voltímetro no puede tomar medidas de una tensión que tiene como referencia la misma tierra que la alimentación del propio voltímetro. Por otro, la alimentación del voltímetro a 12 V de forma continuada supone quemar ciertos elementos del mismo, dejándolo inservible. Por ello, hemos propuesto alimentar el voltímetro con su pila, y usar un relé a modo de interruptor.

Salida para taladro con regulación de velocidad

Hemos incorporado una salida de tensión para un pequeño taladro, tipo "Dremmel" con regulación de velocidad. Se trata de un pequeño y sencillo circuito, que utiliza la modulación de anchura de pulsos (PWM) para variar la velocidad del motor, manteniendo el par a velocidades bajas. El circuito está descrito en el siguiente enlace: Control de velocidad de motores CC por PWM

Diseño de la caja

Para determinar las dimensiones de la caja, he partido de un modelo en cartulina, muy sencillo y rápido de construir, y que nos dará una idea aproximada de cómo quedarán distribuidos los diferentes elementos en el interior de la caja.

Una vez determinadas las dimensiones finales de la caja he realizado el diseño 3D de la misma usando Solidworks. En este caso he podido disponer de chapa de aluminio para fabricar la caja, por lo que el diseño lo he hecho usando el módulo de chapa de Solidworks. La caja se puede fabricar en multiples materiales de fácil manipulación, como el pvc o el contrachapado.

Los taladros en la parte lateral de la caja son para la entrada de aire de ventilación. El resto de taladros, en el frontal de la misma, son para instalar los conectores y potenciometros, además de la visualizaciòn del polímetro.

Montaje

A continuación incluyo unas imágenes mostrando el montaje de todos los elementos de la fuente de alimentación.

Comentarios y mejoras futuras

El diseño de la fuente de alimentación ha resultado muy satisfactorio, la reutilización del cargador de ordenador portátil nos provee de una fuente de energía de gran amperaje, suficiente para alimentar la mayoría de nuestros proyectos.

Sin embargo, la obtención de la tensión simétrica mediante un transformador, proporciona muy poca potencia y resulta muy voluminosa. De cara a un diseño futuro, utilizaremos un inversor de voltaje de tipo LT1054, resultando un diseño mucho más compacto.

El uso de un voltímetro comercial modificado para medir la tensión regulable, ha resultado poco fiable, por lo que en la futura versión utilizaremos un módulo de Arduino UNO (es decir, un ATMega328P) junto con una pantalla LCD para visualizar dicho voltaje.

El uso del Arduino abre un amplio abanico de posibilidades, como un circuito generador de señales sinusoidales, cuadradas y triangulares de diferente amplitud y frecuencia, o bien encargarse del control de velocidad del taladro.

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Leandro Ruiz Lozano, Cartagena, 2013